Рис. 32.2 показывает схему опыта по зондированию атомов золота быстрыми λ-частицами. Мы воспользуемся λ-частицами, испускаемыми при радиоактивном распаде полония; это будет наша пушка. Как мы знаем из раздела 30.10, она стреляет λ-частицами, являющимися двухзарядными ионами гелия, со скоростью в 1,6-10⁷ м/сек. Некоторые из λ-частиц проходят сквозь отверстие, так что мы знаем как их направление, так и их скорость. Эти частицы затем ударяются о тонкую золотую фольгу.
Позади золотой фольги находится детектор λ-частиц: сцинтилляционный экран, подобный тому, который упоминался в гл. 7, или группа современных счетчиков, один из которых подает сигнал, показывающий, где пролетела частица после прохождения сквозь фольгу.



Рис. 32.2. Опыт для зондирования внутреннего строения атомов с λ-частицами в качестве "пуль".. Золотая фольга представляет собой большое скопление атомов золота. Подходящая золотая фольга настолько тонка, что каждый ее квадратный метр весит только 2-10^-3 кг. (Это фольга того типа, из которой делают золотые буквы на витринах магазинов; понаблюдайте за работой мастера, и вы увидите, как он слегка дует на фольгу, чтобы она, развеваясь в воздухе, легла на свое место. Возьмите у него кусочек и посмотрите сквозь него на свет - вы увидите проходящий сквозь листочек зеленый свет.) По плотности золота можно найти число атомов золота, встречающихся на пути ct-частицы, проходящей сквозь фольгу. Кубический метр золота весит около 2-10⁴ кг, или около 20 тонн. Поэтому толщина фольги составляет около



Мы также знаем, что масса атома золота составляет около 3,3 -10^-25 к& (197 атомных единиц массы, приходящихся на атом золота, умножаются на 1,66-10^-27 кг, т. е. на значение атомной единицы массы, выраженной в килограммах). Таким образом, мы получаем, что каждый атом, упакованный до соприкосновения со своими соседями, имеет объем, равный



Если представить себе атомы в виде кубических ящичков, то ребро каждого из этих мельчайших ящичков должно иметь около 2,5-10^-10 м в длину. Поэтому толщина золотой фольги, выраженная числом маленьких золотых атомных ящичков, равна , т. е. толщина фольги составляет около 400 атомов золота.
В нашей аналогии каждый атом золота изображается кипой сена со спрятанной внутри контрабандой. Так как мы знаем, что все атомы золота ведут себя одинаково и все имеют одинаковый вес, то мы представляем их кипами сена, имеющими одинаковое внутреннее строение, Поэтому золотая фольга моделируется стенкой из одинаковых кип толщиной в 400 кип.
Первое, что мы узнаем с помощью этого прибора,- это то, что большинство λ-частиц проходит сквозь фольгу без заметного изменения направления их движения. Иначе говоря, одна λ-частица обычно проходит без отклонения сквозь 400 атомов. Подобно тому, как мы пришли к выводу, стреляя пулями в кипу сена, что большую часть кипы занимает чистое сено, здесь мы можем заключить, что большая часть объема внутри атома свободна от непроницаемых массивных объектов, от которых λ-частицы отскакивали бы под углом. Тем не менее атом заполнен чем-то подобным атомному "сену", петому что, как можно убедиться, λ-частицы, проходя сквозь золото, постепенно теряют свою энергию. При обычной толщине золотых пластинок λ-частицы никогда бы не могли выйти с противоположной стороны фольги. Как легко вывести из других опытов, энергия λ-частиц расходуется на ионизацию атомов золота. Когда λ-частица проходит сквозь атомы, теряя энергию на отрывание электронов, она замедляется так же, как замедляется пуля, когда она проходит сквозь много кип сена.



Рис. 32.3. Фотоснимок в камере Вильсона, показывающий треки (следы пролета) а-частиц, движущихся в азоте. Альфа-частицы движутся вверх от источника, расположенного в нижней левой части. Обратите внимание на частицу, которая столкнулась с атомом азота вблизи центра снимка. Она отклонилась назад на угол примерно 142°, а атом азота испытал отдачу.

Однако благодаря тому, что вес атомов известен, мы знаем, что где-то в атоме должно быть расположено нечто массивное. Трудно поверить, что эта масса состоит из электронов. В легком атоме их для этого потребовалось бы много тысяч, а, разрушив атом, мы сможем получить всего лишь несколько электронов. Масса атома золота примерно в 50 раз больше массы λ-частицы, и если λ-частица ударяется о такую массу "в лоб", то она должна отскочить прямо назад. Поэтому рассмотрим снова пучок λ-частиц, проходящих сквозь золотую фольгу. Если мы тщательно обследуем все направления, то найдем, что при прохождении сквозь золотую фольгу примерно на каждые 10 000 падающих λ-частиц только одна действительно отклоняется от своего первоначального пути на угол, превышающий 10^°.
Лишь в -виде редкого исключения, время от времени одна из астрономически огромного числа λ-частиц отклоняется от своего пути на 90^° и более. Подобные события изредка происходят и при прохождении λ-частиц через газ в камере Вильсона. Здесь, если рассмотреть огромное множество снимков, можно найти несколько снимков, на которых λ-частицы явно рикошетировали от атома, отклонившись почти на 180^°. Такой случай можно видеть на рис. 32.3 в середине фотоснимка. Альфа-частица, испытавшая столь резкое отклонение в золотой фольге, должна была претерпеть одно сильное столкновение с какой-то частью одного из атомов фольги. Можно не сомневаться в том, что это лишь однократное столкновение, так как большинство λ-частиц проходит прямо. Следовательно, мы знаем, что вероятность даже однократного сильного столкновения очень мала, а более чем однократное столкновение такого рода на пути сквозь фольгу практически невозможно.
На λ-частицу, испытавшую столь сильное отклонение, должны были действовать огромные силы. Следовательно, где-то внутри атома имеется по крайней мере один тяжелый массивный центр, и те λ-частицы, которые летят прямо на него, сильно с ним взаимодействуют.
Для объяснения этих наблюдений любая модель атома должна обладать двумя чертами: поскольку почти все λ-частицы проходят прямо сквозь атом, большая часть внутренней области атома не должна содержать ничего, кроме атомного "сена". Но так как λ-частица изредка все же отскакивает назад, где-то внутри атома должен быть по крайней мере один массивный "кусок", с которым λ-частица может сильно взаимодействовать. Основываясь на этой аналогии, мы уподобим атомное "сено" электронам, которые отрываются, когда λ-частицы проходят сквозь атомы и ионизируют их. Это равносильно тому, что мы хотим приписать основной массе атома положительный заряд, который должен присутствовать для того, чтобы атом в целом в нормальном состоянии был нейтральным.
В 1911 г. Резерфорд выдвинул модель атома, которая имела все эти черты и, кроме того, привлекала только кулоновскую силу для объяснения взаимодействия λ-частиц с положительным массивным атомным ядром. Его модель изображает атом как крошечную солнечную систему с сердцевиной или ядром в центре и некоторым числом электронов вокруг него. Ядро положительно заряжено, и в нем сосредоточена почти вся масса атома. Легкие отрицательно заряженные электроны обращаются вокруг ядра, удерживаясь кулоновским притяжением точно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца, удерживаясь гравитационным притяжением. За пределами атома эти отрицательные электроны компенсируют действие положительного заряда ядра, так что атом в целом нейтрален. Это значит, что ядро является носителем некоторого числа положительных элементарных зарядов, равного числу электронов.



Рис. 32.4. Резерфордовская модель атома водорода. В принятом здесь масштабе как электрон, так и протон должны были бы иметь на этом рисунке столь малые размеры, что в действительности на рисунке их совсем нельзя было бы увидеть, хотя линейное увеличение рисунка составляет 10^е раз.

Мы уже пришли к выводу, что атом водорода состоит из протона и электрона (раздел 29.2). Следовательно, в резерфордовской модели водородного атома (рис. 32.4) протон является ядром и имеется один электрон, движущийся вокруг него по орбите. Аналогично атом гелия состоит из λ-частицы и двух электронов. В гелии ядром является λ-частица и вокруг нее обращаются две электронные "планеты".
В резерфордовской модели любого атома размеры ядра и электронов принимаются весьма малыми по сравнению с общими размерами атома, так что большая часть объема атома действительно представляет собой пустое пространство. В этом пространстве вблизи ядра электрическое поле является в основном полем ядерного заряда - кулоновским полем, напряженность которого убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от ядра. Орбитальные электроны находятся во внешних областях атома, и там эти отрицательные заряды вносят свой вклад в электрическое поле. За пределами же атома эти отрицательные заряды полностью экранируют положительный заряд ядра, и электрическое поле исчезает.
В этой модели λ-частица, пролетающая сквозь атом на некотором расстоянии от ядра, проходит насквозь без заметного отклонения. Она только расталкивает электроны в сторону. Но в потоке λ-частиц, обстреливающих золотую фольгу, немногие из частиц проходят столь близко от центра атома, что они встречают сильное электрическое поле вблизи его тяжелого ядра. Эти частицы "рассеиваются" под большими углами.
Мы видим, что резерфордовская модель объясняет, по крайней мере качественно, экспериментальные факты. Она объясняет, почему атомы позволяют проходить большинству частиц почти без отклонения и почему немногие λ-частицы сильно отклоняются. Однако прежде чем эта модель заслужит признание, мы должны подвергнуть ее количественной проверке. Это проделали с большим мастерством Резерфорд и его ученики.



Рис. 32.5. Вычисленные траектории λ-частиц, приближавшихся к ядру. Они были вычислены, основываясь на предположении, что силы отталкивания обратно пропорциональны квадрату расстояния.